先进化工材料关键技术丛书--高纯天然产物绿色生物制造关键技术

在过去几十年中，提取法被大范围应用于天然活性因子的制备。随着研究的深入，研究人员们发现一大批性质优异的化合物，如黄酮，糖苷类化合物的苷元等。但是，这些天然功能因子在植物中含量极低，大多以前体形式存在，这极大限制了使用提取法制备此类化合物在工业上的大规模应用。尽管通过化学法水解，如高温酸水解/碱水解等，可以获得这一类活性因子的活性成分，但反应条件苛刻，水解周期长，产物结构容易破坏，造成产量和纯度偏低等问题。此外，化学水解法带来大量含酸碱或高盐废水也对环境造成了巨大的伤害。 因此，随着生物技术的蓬勃发展，绿色温和的生物酶法逐渐成为了天然活性因子绿色生物制造技术的首选。与此同时，随着 20 年代初期合成生物学技术的出现，以葡萄糖、甘油等为原料从头合成一系列天然活性因子的手段也为高效生产具有生物活性和高价值的化学品提供了替代方法。

健康产业是国家重要发展方向之一，植物天然活性成分对保障人类健康发挥了重要作用，其规模生产面临着效率低、高纯产品生产困难等问题。
高纯天然功能因子为具有某种明确生理活性或功能天然产物的统称，在医药、食品、日化等重要领域有着广泛的应用。目前，国内外对天然功能因子，尤其是高纯天然功能因子的需求迅速增长。高纯天然产物的规模化高效制备也是药物、食品、日化等相关产品开发、活性机理研究的重要基础。然而，我国大多数生产企业技术落后、工艺粗放、环境污染严重，且无法大规模制备高纯度天然活性成分。少数企业虽然可以借助色谱技术进行少量高纯产品的制备，但是难以规模化生产。因而，高效、绿色、规模化制备高纯度天然功能因子是制约行业高质量发展的关键技术瓶颈。植物源天然产物因化学结构多样、杂质成分复杂，传统的化工分离技术缺少对这些天然产物的应用实例，单一的化工单元操作很难实现高纯产品制备。因此，开展生物、化学及工程学的多学科交叉研究，发展过程强化及系统集成技术，是实现高纯天然活性成分绿色、规模化制备的重要发展方向。
笔者团队二十年来在生物化工、现代分离技术、合成生物学等领域重点开展了以下研究工作：基于过程强化及耦合策略，建立了高纯度鞣花酸、安石榴苷、大豆异黄酮、大豆皂苷、光甘草定、硫代葡萄糖苷、莱菔硫烷、莱菔素等高质天然产物高效纯化工艺；基于基因组分析和结构相似性构建高性能糖苷水解酶库，建立了酶法制备环黄芪醇、阿克拉定、薯蓣皂素、甘草次酸的新工艺；基于合成元件理性挖掘和碳流重新分配构建了系列典型芳香环功能因子的生物合成平台，首次实现了熊果苷、红景天苷和5-羟基色氨酸的异源生物合成；依托上述理论和应用研究工作，在国内外率先建成了大豆异黄酮、低聚木糖、鞣花酸、硫代葡萄糖苷、莱菔硫烷、熊果苷、5-羟基色氨酸工业生产线，创造了良好的经济效益，相关研究工作为高纯天然产物绿色高效工业规模化制备提供了有意义的范例。
本书结合笔者团队在高纯天然产物绿色生物制造理论和应用研究领域的成果和技术资料，涵盖了笔者团队近20年来承担的“863计划”项目全酶法清洁生产木糖醇关键技术研究（2009AA02Z202）、啤酒酵母与果酒废渣资源化利用关键技术（2012AA021403），国家重点研发计划植物天然产物合成途径在微生物中的高效组装与适配性原理（2018YFA0901800）、可规模化应用的新型工业酶固定化技术（2021YFC2102800）、天然活性产物生物制造技术（2021YFC2101500）、工业菌种基因组人工重排技术（2021YFC2100800），国家重点研发计划政府间专项光果甘草关键组分的绿色生物制造和高值化开发（2021YFE0103500），教育部长江学者创新团队（IRT13045），山东省重大科技创新工程项目重要抗衰老关键中药组分生物制造关键技术与产品开发（2019JAAY121）。部分成果获得国家科学技术进步二等奖1项、教育部高等学校科学研究优秀成果奖（技术发明奖）二等奖1项、第十一届中国青年科技奖、中国商业联合会科学技术奖特等奖1项、中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖1项、中国商业联合会科学技术奖一等奖1项、北京市科技进步二等奖等。在此基础上，参阅了大量国内外科技文献，重点针对天然产物绿色生物制造的理论基础和应用研究完成本书编撰，以帮助科研和工程技术人员对该领域有一个系统的认知，为天然产物的绿色生物制造提供理论和应用指导。
本书共十一章，由袁其朋、梁浩负责全书的统稿、修改和定稿。第一章由袁其朋、梁浩、魏斌撰写；第二章由李庚、袁其朋撰写；第三章由田敏彤、梁浩、袁其朋撰写；第四章由李岳、袁其朋撰写；第五章由王琳，孙新晓撰写；第六章由郑安妮，程磊雨撰写；第七章由赵雨轩，刘芳撰写；第八章由魏斌，梁浩撰写；第九章由徐海畅，梁浩撰写；第十章由魏斌、齐昊乐、梁浩撰写；第十一章由陆亮宇、申晓林、孙新晓、王佳撰写。
在笔者团队学习的研究生们为本书的部分研究成果付出了辛勤的劳动，他们包括况鹏群、王田心、程立、田桂芳、寒思翀、陆晶晶、王乐、范晓光、李向来、王晓蕾，宋丹、肖倩、胡晔、赵丽、贾乃堃、孟雷、肖正发、宋航彬、徐巧莲、刘宇文、宋汉臣、朱静、吴兴付、程艳、徐岩、吕姣、韦永琴、王立媛、张琪琪、刘赛星、吴建鹏等。本书还参考了大量国内外同行撰写的书籍和发表的论文资料，在此一并表示衷心感谢。
由于编写此书时间较为仓促，更由于笔者水平有限，疏漏之处在所难免，请读者不吝指正。

袁其朋　梁浩
2023年于北京化工大学

袁其朋，北京化工大学教授，博士生导师。教育部长江学者特聘教授。1992年在清华大学获化学工程学士学位，1997年在天津大学获生物化工博士学位。1999年至2000年在澳大利亚新南威尔士大学作访问学者，2001年至2003年赴香港理工大学从事中药方面的研究工作。1997年至今在北京化工大学工作。主要研究领域为：合成生物学及代谢工程，高纯天然产物规模制备及应用基础研究。以第一或通讯作者在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Metabolic Engineering、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等期刊发表SCI论文240余篇，授权PCT、中国发明专利60余项。在国内外率先实现了大豆异黄酮、鞣花酸、安石榴苷、莱菔硫烷、莱菔素、熊果苷、5-羟基色氨酸等的工业生产，创造了良好的经济效益。以第一获奖人获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖1项、一等奖2项、二等奖2项。第十一届中国青年科技奖获得者，科技北京百名领军人才。兼任化工资源有效利用国家重点实验室副主任、科技部合成生物学专项项目组专家、中国化工学会生物化工专业委员会副主任委员、中国生物化学与分子生物学会工业专业分会副理事长、中国纺织工程学会化纤专业委员会副主任委员，享受国务院特殊津贴。

梁浩，北京化工大学教授，博士生导师。2002年获北京化工大学生物化工学士学位，2007年获北京化工大学生物化工博士学位。2014年至2016年在加拿大滑铁卢大学作访问学者。2007年至今在北京化工大学生命科学与技术学院工作，主要从事天然活性成分的生物合成与纳米增效研究。先后开发了莱菔硫烷、甘草次酸、阿克拉定、环黄芪醇和甘油葡萄糖苷等的酶法生产技术和虾青素、光甘草定、植物精油等纳米制剂，作为主要技术负责人参与建成了国内外高纯度莱菔硫烷的生产线。发表论文80余篇，授权中国发明专利6项。作为第二完成人获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（技术发明奖）二等奖1项、中国商业联合会科技进步奖一等奖1项。兼任中国生物发酵产业协会生物发酵美妆原料分会理事、中国药学会制药工程专委会青年委员、全国生物资源提取行业专家委员会委员、北京理化分析测试技术学会青年学术委员会常务理事。

《高纯天然产物绿色生物制造关键技术》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。
本书基于笔者二十余年的工作积累，是围绕高纯天然产物绿色生物制造关键技术开展科学研究和技术开发的系统总结。全书共十一章，包括绪论，石榴皮制备高纯度安石榴苷和鞣花酸，十字花科植物制备高纯度硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯，大豆皂苷和大豆异黄酮的制备工艺，玉米芯绿色制备低聚木糖、木糖和木糖醇，酶法制备黄芪甲苷和环黄芪醇，酶法制备阿可拉定，酶法制备薯蓣皂素，酶法制备甘油葡萄糖苷，高纯度光甘草定和甘草次酸制备工艺，典型芳香环植物功能因子的异源生物合成。本书所涉及的研究内容为相关领域国际学术前沿的热点，部分成果为原创。
《高纯天然产物绿色生物制造关键技术》是多项国家和省部级科技成果的系统总结，适合生物、化学、化工、材料领域，特别是对高纯天然产物绿色生物制造关键技术感兴趣的科学技术人员阅读，也可作为高等院校生物、化学、化工、材料及相关专业高年级本科生和研究生的教材使用。

第一章 绪论	001
第一节　天然产物简介	002
第二节　天然产物的绿色生物制造技术发展历程	008
一、天然产物分离纯化技术	008
二、天然活性因子绿色生物制造技术	010
第三节　天然产物绿色生物制造未来发展的技术展望	015
一、新型绿色溶剂的研究	015
二、糖苷酶的理性改造与设计	016
三、天然产物生物合成中的共培养和动态调控	016
参考文献	017

第二章 石榴皮制备高纯度安石榴苷和鞣花酸	023
第一节　安石榴苷和鞣花酸简介	024
一、安石榴苷	024
二、鞣花酸	027
第二节　高纯度安石榴苷制备关键技术	029
一、石榴皮总单宁提取	030
二、高纯度安石榴苷的制备	035
第三节　高纯度鞣花酸制备关键技术	041
一、以石榴皮为原料制备鞣花酸	041
二、高纯度鞣花酸的制备	043
第四节　鞣花酸和安石榴苷活性研究	046
一、鞣花酸和安石榴苷的抗氧化活性研究	046
二、安石榴苷的抗糖尿病活性研究	048
第五节　小结与展望	053
参考文献	054
 
第三章 十字花科种子制备高纯度硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯	057
第一节　硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯简介	058
一、十字花科植物	058
二、硫代葡萄糖苷	059
三、异硫氰酸酯	060
第二节　硫代葡萄糖苷制备工艺	062
一、化学合成法和生物合成法	063
二、天然产物提取法	064
第三节　高纯异硫氰酸酯制备工艺	069
一、异硫氰酸酯的制备	069
二、异硫氰酸酯的纯化	074
第四节　异硫氰酸酯的稳态化和活性研究	077
一、异硫氰酸酯的稳定性	077
二、异硫氰酸酯的稳态化	080
三、异硫氰酸酯的活性研究	082
第五节　小结与展望	085
参考文献	086

第四章 大豆皂苷和大豆异黄酮的制备工艺	091
第一节　大豆皂苷和大豆异黄酮简介	092
一、大豆皂苷概述	092
二、大豆异黄酮概述	096
第二节　高纯度大豆皂苷制备关键技术	100
一、树脂法纯化大豆皂苷B	100
二、结晶法纯化大豆皂苷B	102
三、中试放大 	103
第三节　利用大孔树脂从大豆糖蜜中回收大豆异黄酮	104
一、大豆糖蜜简介	104
二、大豆糖蜜预处理	105
三、树脂法精制大豆异黄酮	106
四、稀糖蜜生产大豆异黄酮	107
第四节　连续萃取法制备大豆异黄酮	109
一、间歇萃取	109
二、连续逆流萃取	110
三、组合溶剂回流萃取制备大豆黄苷及大豆黄素	111
四、甲醇重结晶制备黄豆黄苷及黄豆黄素	111
第五节　利用扩张床吸附技术从大豆糖蜜中分离纯化大豆异黄酮	112
一、扩张床吸附技术及环糊精介绍	112
二、PGMA-TiO2复合扩张床介质的制备及表征	114
三、PGMA-TiO2-β-CD复合扩张床吸附剂的制备及表征	116
四、应用PGMA-TiO2-β-CD复合扩张床吸附剂纯化大豆异黄酮	118
第六节　小结与展望	121
参考文献	121

第五章 玉米芯绿色制备低聚木糖、木糖和木糖醇	125
第一节　低聚木糖、木糖和木糖醇简介	126
一、低聚木糖简介	126
二、木糖简介	127
三、木糖醇简介	128
第二节　低聚木糖绿色制备关键技术	128
一、木聚糖酶的选择和应用	129
二、低聚木糖生产工艺	130
三、絮凝脱色在低聚木糖分离纯化中的应用	130
第三节　木糖绿色制备关键技术	132
一、半纤维素水解液的组成	132
二、玉米芯半纤维素清洁糖化制备木糖	133
三、木糖的纯化与精制	141
第四节　木糖醇绿色制备关键技术	142
一、木糖醇发酵条件的优化	143
二、半纤维素水解液抑制物对于木糖醇发酵的影响 	147
三、利用蒸汽爆破水提液发酵生产木糖醇 	151
四、利用亚硫酸水解液发酵生产木糖醇 	153
第五节　小结与展望	154
参考文献	155

第六章 酶法制备黄芪甲苷和环黄芪醇	161
第一节　黄芪甲苷和环黄芪醇简介	162
一、黄芪甲苷简介	162
二、环黄芪醇简介	164
第二节　生物法制备黄芪甲苷的关键技术	166
第三节　生物法制备环黄芪醇的关键技术	169
第四节　小结与展望	172
参考文献	173

第七章 酶法制备阿可拉定	175
第一节　淫羊藿及阿可拉定简介	176
一、淫羊藿	176
二、阿可拉定	177
第二节　酶法制备阿可拉定关键技术	178
一、直接提取法	178
二、化学合成法	178
三、酶解法	179
第三节　固定化双酶制备阿可拉定关键技术	185
一、单一酶交联酶聚集体	185
二、双酶交联酶聚集体	189
第四节　小结与展望	194
参考文献	195

第八章 酶法制备薯蓣皂素	199
第一节　薯蓣皂素简介	200
一、薯蓣皂素理化性质	200
二、薯蓣皂素的制备	200
第二节　酶法制备薯蓣皂素工艺	204
一、微生物转化筛选及水解酶分级纯化	204
二、薯蓣皂素水解酶的异源表达及其功能探究	206
三、Rhase-TS和Gluase-TS酶学性质研究及催化残基预测	209
四、酶催化制备薯蓣皂素	216
第三节　小结与展望	219
参考文献	220

第九章 酶法制备甘油葡萄糖苷	225
第一节　甘油葡萄糖苷简介	226
一、甘油葡萄糖苷简介及来源	226
二、甘油葡萄糖苷的功效及市场前景	227
三、甘油葡萄糖苷的制备方法	228
第二节　酶法制备甘油葡萄糖苷关键技术	229
一、蔗糖磷酸化酶的筛选、表达、活性研究	229
二、蔗糖磷酸化酶催化制备2-O-α-甘油葡萄糖苷	230
第三节　固定化酶制备甘油葡萄糖苷关键技术	231
一、Ni-NTA功能化琼脂糖微球特异性吸附固定化蔗糖磷酸化酶	232
二、壳聚糖调控的仿生杂化纳米花自组装固定化蔗糖磷酸化酶	240
第四节　小结与展望	253
参考文献	254

第十章 高纯度光甘草定和甘草次酸制备工艺	259
第一节　光甘草定和甘草次酸简介	260
一、光甘草定简介	260
二、甘草次酸简介	261
第二节　光甘草定绿色制备关键技术	263
一、光甘草定的提取工艺	263
二、光甘草定的分离纯化工艺　	265
三、光甘草定纳米复合物的制备	269
第三节　酶法制备甘草次酸关键技术	272
一、甘草次酸的制备方法	272
二、葡萄糖醛酸酶简介	273
三、固定化酶催化制备甘草次酸	274
四、一锅法提取水解甘草酸制备甘草次酸	277
五、甘草次酸纳米复合物的制备	278
第四节　小结与展望	280
参考文献	281

第十一章 典型芳香环植物功能因子的异源生物合成	289
第一节　典型芳香环植物功能因子简介	291
一、芳香环植物功能因子的合成途径	291
二、莽草酸途径	291
三、莽草酸途径中的酶	293
四、莽草酸途径的代谢调控	296
第二节　熊果苷异源生物合成	297
一、熊果苷的生物活性	298
二、熊果苷生物合成途径设计及关键酶的表征	300
三、熊果苷从头合成	302
四、通过将碳通量转入熊果苷生物合成途径实现熊果苷的高水平生产	303
五、熊果苷生物合成的培养条件优化	304
第三节　红景天苷异源生物合成	305
一、红景天苷的用途及生产方式	307
二、共培养工程高效生物合成芳香环植物功能因子	308
三、共培养生物合成红景天苷路径设计	310
四、三种共培养生物合成红景天苷的比较	311
五、红景天苷的扩大生产	313
第四节　5-羟基色氨酸异源生物合成	314
一、5-HTP的用途及生产方法	314
二、转化5-羟基邻氨基苯甲酸生产5-HTP	316
三、利用水杨酸-5-羟基化酶转化AA生成5-HAA	317
四、5-HAA合成的模块化优化	318
五、5-HTP的生物合成	319
第五节　小结与展望	319
参考文献	321

索引	330